[发明专利]一种提高锆合金抗腐蚀性能及表面硬度的方法

说明书

本发明公开了一种提高锆合金抗腐蚀性能及表面硬度的方法，将锆合金材料表面清洗处理好之后夹装，并完全浸入装有纯净水的水槽中，水槽带有石英视窗并正对激光器出光口；启动脉冲激光器，加载电压，对样品表面进行冲击强化处理；激光表面处理的具体参数范围：激光能量50‑600mJ，波长532nm，重复频率10Hz，脉冲宽度8nm，扫描速度0.1‑5mm/s，光斑直径0.5‑4mm；完成后取出经激光强化处理的样品；本发明方法在锆合金表面生成致密氧化层，并获得超细晶组织改性层，经激光处理之后，基体中存在较大的残余应力；生成的氧化膜可有效阻止氧离子的扩散，残余应力可以稳定氧化层中的四方相氧化锆，提高锆合金的抗腐蚀性能，超细晶组织改性层可以提高锆合金的表面硬度，从而使锆合金具有更优异的综合性能。

技术领域

本发明涉及锆合金材料领域。具体而言，本发明涉及一种利用脉冲激光表面处理提高锆合金抗腐蚀性能及表面硬度的方法。

背景技术

锆合金由于其低中子吸收截面、良好的抗高温水腐蚀性能、优良的高温力学性能及抗辐照性能等特点被广泛应用于核反应堆堆芯燃料包壳材料及结构材料，被称为“原子时代的金属”。作为燃料包壳材料和结构材料的锆合金在反应堆中的使用环境极为苛刻，锆合金包壳在反应堆运行工况下也仍然存在着诸多的问题。首先，在高温水环境下会发生腐蚀，腐蚀一方面会产生氢气，锆合金基体吸收氢气会发生氢脆，氢脆以及腐蚀导致包壳厚度的减小会影响包壳的机械性能；另一方面，腐蚀产生的氧化膜附着在包壳表面会降低包壳的热导率，腐蚀过程中也会产生热量，会导致燃料芯块温度升高，影响反应堆的安全性能。其次，在反应堆中，由于流致振动会引起包壳与定位格架间产生微动磨损，微动损伤已经逐渐成为燃料棒失效的最重要的原因之一。反应堆的冷却剂中也会存在一些杂质，这些物体不断摩擦包壳表面，也会导致包壳失效。随着反应堆技术朝着提高燃耗、加长运行周期、提高热效率以及降低燃料循环成本的方向发展，对锆合金包壳材料的性能提出了更高的要求，因此如何提高锆合金包壳的综合使用性能已成为行业的迫切需求。

为解决此类问题，一方面要求产品设计和制造不断采用新结构、新材料和新工艺；另一方面，表面改性工程是解决该类问题的另一有效途径，表面工程技术方法在提高锆合金产品的使用性能、降低维护成本方面可能起到关键作用。目前应用于锆合金的表面改性方法主要有锆合金表面预氧化膜、微弧氧化、离子注入、离子辐照、脉冲电子束处理、激光熔覆、激光合金化、激光冲击强化等，这些方法的主要目的是在锆合金表面生成一层预氧化膜或改变锆合金表面微观组织，以获得优良的抗腐蚀性能及机械性能。

激光冲击强化技术作为一种重要的表面工艺之一，其原理是，高功率密度的短脉冲激光作用于靶试样时，保护层通过吸收激光能量迅速形成大量高密度的高温、高压等离子体。随激光的继续作用，该等离子体急剧升温膨胀，由于受到约束层的限制作用，使得等离子体形成高强度冲击波并向材料内部多方向传播，当冲击波到达临界速率时，其峰值压力将超过材料的动态屈服强度，使材料表层产生平行于材料表面的拉应力和平行于冲击波方向的压应力从而发生塑性形变。激光与材料相互作用结束后，冲击波也逐渐消失，冲击区域的塑性形变受到周围材料的反作用而获得宏观残余压应力/应变，同时材料表面产生孪晶等晶体缺陷并形成极其细小的位错亚结构。与喷丸、滚压、内挤压等传统的表面强化技术相比，激光冲击强化具有更深的残余压应力且残余应力热稳定性更好；具有准确的重复性，利用小光斑的特征可以实现强化区域的选择性及往复性；对试样的粗糙度影响较小；能够阻止裂纹萌生，减少应力集中现象的发生，降低裂纹扩展速率。